Елементи атомної фізики і квантової механіки

 

Дослідне обґрунтування корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей речовини. Формула де Бройля. Співвідношення невизначеностей як прояв корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей матерії. Хвильова функція і її статистичний зміст. Обмеженість механічного детермінізму. Принцип причинності в квантовій механіці. Стаціонарні стани. Рівняння Шредінгера для стаціонарних станів. Вільна частинка. Тунельний ефект. Частинка в одномірній прямокутній «потенціальній ямі». Квантування енергії й імпульсу частинки. Поняття про лінійний гармонічний осцилятор. Атом водню. Основне, орбітальне і магнітне квантові числа.

Дослід Штерна і Герлаха. Спін електрона. Спінове квантове число. Ферміони і бозони. Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомі по станах. Поняття про енергетичні рівні молекул. Спектри атомів і молекул. Поглинання, спонтанне і вимушене випромінювання. Поняття про лазер.

 

Елементи квантової статистики і фізики твердого тіла

 

Фазовий простір. Елементарний осередок. Густина станів. Поняття про квантову статистику Бозе-Ейнштейна. Фотонний і фононний гази. Розподіл фононів за енергіями. Теплоємність кристалічних ґраток. Надтекучість. Поняття про квантову статистику Фермі-Дірака. Розподіл електронів провідності в металі за енергіями при абсолютному нулі температури. Енергія Фермі. Вплив температури на розподіл електронів. Рівень Фермі. Внутрішня енергія і теплоємність електронного газу в металі. Електропровідність металів. Надпровідність. Магнітні властивості надпровідника.

Енергетичні зони в кристалах. Розподіл електронів по енергетичних зонах. Валентна зона і зона провідності. Метали, діелектрики і напівпровідники. Власна провідність напівпровідників. Квазічастинки – електрони провідності і дірки. Ефективна маса електрона в кристалі. Домішкова провідність напівпровідників. Електронні і діркові напівпровідники. Контактні явища. Контакт електронного і діркового напівпровідника (p-n- перехід) і його вольт-амперна характеристика. Фотоелектричні явища у напівпровідниках. Люмінесценція твердих тіл.

Елементи фізики атомного ядра й елементарних частинок

 

Заряд, розмір і маса атомного ядра. Масове і зарядове числа. Момент імпульсу ядра і його магнітний момент. Склад ядра. Роботи Іваненка і Гейзенберга. Нуклони. Взаємодія нуклонів і поняття про властивості і природу ядерних сил. Дефект маси й енергія зв’язку ядра. Закономірності і походження альфа-, бета- і гама-випромінювань атомних ядер. Ядерні реакції і закони збереження. Реакція поділу ядер. Ланцюгова реакція поділу. Поняття про ядерну енергетику. Реакція синтезу атомних ядер. Проблема керованих термоядерних реакцій. Елементарні частинки. Їхня класифікація і взаємна перетворюваність. Чотири типи фундаментальних взаємодій: сильні, електромагнітні, слабкі і гравітаційні. Поняття про основні проблеми сучасної фізики й астрофізики.

 

ЛІТЕРАТУРА

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики, –М.: Наука. Т. 1, 2, 3. –1986.
–432 с, –496 с, –318 с.

2. Яворський Б.М., Детлаф А.А., Милковська Л.Б., Сергєєв Г.П. Курс фізики. Ч. 1. –К.: Вища школа, 1970. –356 с.

3. Яворський Б.М., Детлаф А.А., Милковська Л.Б. Курс фізики. Ч. II,
–К.: Вища школа, 1972. –434 с

4. Яворський Б.М., Детлаф А.А. Курс фізики. Ч. III. –К.: Вища школа, 1973. –499 с.

5. Шубин А.С. Курс общей физики. –М.: Высшая школа, 1975.
–479 с.

6. Трофимова Г.И. Курс физики. –М.: Высшая школа, 1990. –478 с.

7. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. –М.: Наука, 1978.

8. Задачник по физике / Под ред. А.Г. Чертова. –М.: Высшая школа, 1981.

9. Фирганг Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики. –М.: Высшая школа, 1978.

10. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. –М.: Высшая школа, 1989. –609 с.

11. Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. –М.: Высшая школа,1972. –599 с.

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

 

Основною формою навчання студента-заочника є самостійна робота над навчальним матеріалом. Для полегшення цієї роботи кафедри фізики вузів організують читання лекцій, практичні заняття і лабораторні роботи. Тому процес вивчення фізики складається з таких етапів:

· проробка настановних і оглядових лекцій;

· самостійна робота над підручниками і навчальними посібниками;

· виконання контрольних робіт;

· проходження лабораторного практикуму;

· здача заліків і іспитів.

При самостійній роботі над навчальним матеріалом необхідно:

1. Складати конспект, у якому записувати закони і формули, що виражають ці закони, визначення основних фізичних понять і сутність фізичних явищ і методів дослідження.

2. Вивчати курс фізики систематично, тому що у противному разі матеріал буде засвоєно поверхнево.

3. Користуватися якимось одним підручником або навчальним посібником (або обмеженим числом посібників), щоб не втрачався логічний зв’язок між окремими питаннями, принаймні усередині визначеного розділу курсу.

Контрольні роботи дозволяють закріпити теоретичний матеріал курсу. У процесі вивчення фізики студент повинен виконати п’ять (для інженерно-педагогічних спеціальностей – чотири) контрольних робіт. Розв’язок задач у контрольних роботах є перевіркою ступеню засвоєння студентом теоретичного курсу, а рецензії на роботу допомагають йому доповнити і правильно засвоїти різні розділи курсу фізики.

Перед виконанням контрольної роботи студентові необхідно ретельно ознайомитися з прикладами розв’язку задач даної контрольної роботи, рівняннями і формулами, а також з довідковими матеріалами, наведеними наприкінці методичних вказівок. Перш ніж приступити до розв’язку тієї або іншої задачі, студент повинен добре зрозуміти її зміст і поставлені в ній питання.

Контрольні роботи з загальної фізики для спеціальностей, навчальними планами яких передбачено п’ять контрольних робіт, передбачають такі розділи:

· фізичні основи механіки;

· молекулярна фізика, термодинаміка;

· електростатика, постійний струм;

· електромагнетизм, коливання і хвилі, хвильова оптика;

· квантова природа випромінювання, елементи атомної і ядерної фізики, елементи фізики твердого тіла.

У цей методичний посібник включено контрольні роботи № 1-5 для цих спеціальностей.

Контрольні роботи для спеціальностей, навчальними планами яких передбачено за курсом загальної фізики чотири контрольні роботи, за тематикою розподілені таким чином:

· фізичні основи механіки, молекулярна фізика, термодинаміка;

· електростатика, постійний струм;

· електромагнетизм, коливання і хвилі, хвильова оптика;

· квантова природа випромінювання, елементи атомної і ядерної фізики, елементи фізики твердого тіла.

Для цих спеціальностей у першу контрольну роботу включено задачі з контрольних робіт № 1 і № 2.

Кожна контрольна робота для студентів-заочників технологічних спеціальностей включає вісім задач.

Визначення варіанта завдання проводиться за єдиною для всіх п’яти контрольних робіт таблицею варіантів відповідно до останньої цифри шифру.

При виконанні контрольних робіт необхідно дотримуватись таких правил:

· на титульній сторінці вказати номер контрольної роботи, назву дисципліни, прізвище й ініціали студента, шифр і домашню адресу;

· контрольну роботу слід виконувати акуратно, залишаючи поля для зауважень рецензента;

· умову задач свого варіанта переписувати повністю, а задані фізичні величини виписати окремо, при цьому всі числові величини повинні бути переведені в одну систему одиниць;

· для пояснення розв’язку задачі, де це необхідно, акуратно зробити креслення;

· розв’язок задач і формули, які використовуються, повинні супроводжуватися поясненнями;

· у поясненнях до задачі необхідно вказувати ті основні закони і формули, на яких базується розв’язок даної задачі;

· при одержанні розрахункової формули, яка необхідна для розв’язку конкретної задачі, наводити її висновок;

· розв’язок задачі рекомендується спочатку зробити у загальному вигляді, тобто тільки в буквених позначеннях, пояснюючи застосовані при цьому позначення;

· константи фізичних величин і інші довідкові дані вибираються з таблиць;

· у контрольній роботі слід вказувати підручники і навчальні посібники, що використовувалися при розв’язку задач.

Контрольні роботи, представлені без дотримання зазначених правил, а також роботи, виконані не за своїм варіантом, зараховуватися не будуть.

При відправленні роботи на повторне резензування обов’язково представляти її з першою рецензією.

 

ВІДОМОСТІ ПРО НАБЛИЖЕНІ ОБЧИСЛЕННЯ

 

При розв’язку фізичних задач числові значення, з якими приходиться мати справу, здебільшого є наближеними. Задачі з наближеними даними потрібно розв’язувати з дотриманням правил підрахунку значущих цифр. Значущими називають усі цифри, крім нуля, а також і нуль у двох випадках, якщо він стоїть між значущими цифрами і вкінці числа і відомо, що одиниці відповідного розряду в даному числі немає.

Наближені обчислення слід проводити з дотриманням таких правил:

1. Оскільки за допомогою обчислень одержати результат більш точний, ніж вихідні дані, неможливо, то досить зробити обчислення з числами, що містять не більше знаків, ніж у вихідних даних.

2. При додаванні або відніманні наближених чисел, що мають різну точність, більш точне повинно бути округлене до точності менш точного. Наприклад:

;

.

3. При множенні і діленні треба в отриманому результаті зберігати стільки значущих цифр, скільки їх має наближене дане з найменшою кількістю значущих цифр. Наприклад:

 (а не 0,0132496);

 (а не 2,107).

4. При піднесенні до другої або третьої ступені потрібно зберігати стільки значущих цифр, скільки їх має піднесене в ступінь число. Наприклад:

1,25² = 1,56 (а не 1,5625);

1,01³ = 1,03 (а не 1,030301).

5. При добуванні квадратного і кубічного коренів у результаті необхідно зберігати стільки значущих цифр, скільки їх має підкореневе число. Наприклад:

 = 3,19 (а не 3,1937438);

 = 2,17 (а не 2,1687029).

6. При обчисленні складних виразів дотримуються правил в залежності від виду дій, що здійснюються.

7. Коли число мало різниться від одиниці, можна користуватися нижче наведеними наближеними формулами.

Якщо a, b, c менш у порівнянні з одиницею (менше 0,05), то

;

;

;

;

;

;

;

8. Якщо кут  виражений у радіанах, то у першому наближенні можна прийняти

; .

Дотримуючись цих правил, студент заощадить час на обчислення пошукуваних величин при розв’язку фізичних задач.